多分支水平井產能模擬實驗

周勁輝，張瑾琳，高德利

（中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

在20世紀90年代后期，多分支井鉆井技術在國外得到大力發展，被認為是21世紀國際石油工業的重大技術，也是未來鉆井技術的發展趨勢之一［1－2］。多分支水平井技術是在定向井、大斜度井和水平井技術基礎上迅速發展起來的一項新的石油開采技術。與常規直井相比，它可以大大提高油藏的采收率，降低油藏開采綜合成本，經濟效益十分顯著，應用前景十分廣泛。多分支水平井不僅可應用于開發煤層氣資源，而且能夠應用于開發稠油或低滲透油氣藏、地下水資源等，還可以應用于地下儲油、儲氣庫工程。多分支水平井產能的控制因素主要有分支段長度、分支數量、分支角度、分支的方位等［3－4］。目前對分支井產能的預測方法主要是經驗公式法和電模擬實驗法。經驗公式法是運用滲流力學原理，結合數學解析方法，建立多分支井產能預測模型并對影響產能的因素進行分析［5－11］；電模擬實驗法主要是應用水電相似原理，利用電場模擬地層流體的滲流規律，分析多分支井產能影響因素與影響規律［12－17］。本文利用人工地層和水分別作為多孔介質和地層流體，設計不同的分支形態等，通過對流體壓力的檢測，分析多分支水平井產能變化規律及影響因素。

1 模擬實驗裝置

1.1 模擬實驗裝置原理

模擬實驗裝置原理如圖1所示，將由水泥砂漿制作而成的具有一定滲透率的人工地層放置在一個密封水箱中，人工地層中設置一個水平主井眼，若干水平分支井眼與水主平井眼連通，主井眼接有泄水管。密封水箱上端面接有一根一定高度的、帶有標尺的注水管。

圖1 多分支水平井產能模擬實驗原理

實驗時，將設置好分支形態的模擬地層放入密封水箱，蓋嚴上蓋；關閉控制閥，從注水管注入清水，直到地層充分滲透且主水管水位不發生變化；打開可控制閥，準確記錄注水管高度H隨時間t的變化數據。H－t變化曲線就反映了產能的變化規律。如果產能大，注水管水位下降快，產能小則注水管水位下降慢。

1.2 模擬地層的制作

1.2.1 地層材料配比的確定

模擬地層由水泥和河砂組成，所制作的模擬地層具備一定的滲透能力，其滲透率如果太大，實驗中來不及記錄，滲透率太小產能變化太緩慢，不利于對比實驗。因此首先是確定水泥和砂的配比。確定水泥和砂的總質量為1kg，配比方案見表1。

表1 不同泥砂及水灰比配比方案

制作外高h1＝132mm，內高h2＝95mm，外徑R＝63mm，內徑r＝30mm的中空且底部封死的圓柱體試件，如圖2所示。將制好的試件放入水中，使得水面與泥柱表面齊平，觀察水從泥柱外部滲到中空部位至滿的時間。經過比較泥柱在水中的滲透時間，發現泥砂比為1∶5、水灰比為0.51的配比結果最佳。

圖2 不同泥砂比及水灰比制作的試件

1.2.2 密封水箱的制作

用有機玻璃制作成600mm×600mm×300mm的四方體水箱，上蓋粘接一內徑為80mm的有機玻璃注水管，將水位標尺粘貼在注水管外側。上蓋與水箱之間用橡膠墊圈密封，用螺栓緊固確保不滲水。四方體水箱外側設置有排泄水管，與模擬地層的主井眼連接。

1.2.3 模擬地層的制作

電子秤測得試件質量均值為m－＝1.34kg，得到試件的密度ρ＝1.95g／cm3。模擬地層尺寸為400mm×400mm×150mm，總質量為36kg。按泥砂比1∶5及水灰比0.51，計算出所需水泥6kg、砂30kg、水3.06kg，并將它們均勻混合。將和好的水泥砂漿緊密鋪入400mm×400mm×150mm木制模子內，在鋪入一半時，按非對稱魚骨型排列外徑為20mm、內徑為16mm的有機玻璃管5支，分支玻璃管與主管夾角均為75°，分支管之間間距均為80mm。再鋪上砂漿并緊密壓實，20min后拔出所有的有機玻璃管，并在主井眼一端接上一段直徑為20mm的有機玻璃管作為主井眼排水的接口，最后將模擬地層放置7 d，待其干透。

1.3 裝置的組裝

將做好的模擬地層放入密封水箱中，連接好排水管線，蓋上密封蓋，用螺栓將密封面緊固，以免漏水。關閉控制閥，向注水管中注入自來水，待模擬地層內部充滿水且注水管水位不變，方可進行產能變化的實驗。實驗裝置如圖3所示。

圖3 模擬實驗裝置實物

2 產能模擬實驗設計

圖4為設計的分支井形態，分支角度均為75°。其中形態（a）和（b）測試分支數量對產能的影響；形態（c）、（e）和（f）測試分支數相等時，同側分支與異側分支對產能的影響；形態（e）、（f）測試同為異側分支時分支間距對產能的影響；形態（d）通過控制同側分支的長度測試分支長度對產能的影響。

圖4 設計的分支井形態

3 產能模擬實驗與分析

每次實驗時，注水管中的初始液面高度相同，每隔30s讀取1次液面高度，并做記錄。圖5是不同分支形態時測得的H－t變化曲線，圖中曲線表明：液面高度下降越快則產能越大。

圖5 多分支水平井產能模擬實驗結果

3.1 分支數對產能的影響

異側3個分支比異側4個分支產能大，2個分支的產能最小。分支越多，井間干擾增大；分支數少，控制的面積也少。分支數量并非越多越好，存在一個最優值。

3.2 分支間距對產能的影響

同為異側2個分支（分支間距為80mm和分支間距為240mm），最初井筒液面變化差別不大，但120s之后，分支間距為240mm的產能明顯增大，因此適當加大分支間距可以增大分支井的控制面積，減少井間干擾。分支間距的最優值與油藏的壓力關系密切。

3.3 分支長度對產能的影響

異側四個分支，分別將同側的2個分支長度縮短35mm和65mm，縮短35mm的產能較大，且是所有形態中產能最大的。這說明分支數相同時，可對分支長度進行優化獲得最大產能。

3.4 分支的排列方式對產能的影響

當分支數均為2個時，異側2個分支比同側2個分支產能大，因此盡量將分支井異側布置，可以增大分支井的控制面積，減少分支井之間的干擾。

4 結論

多分支水平井產能模擬實驗裝置可以進行不同分支形態下產能模擬實驗，可為多分支井的優化設計提供實驗依據。實驗結果表明：分支井的數量、間距、長度和布置方式對產能均有影響。為了提高多分支水平井的產能，可適當增加分支井的數量和增大分支井間距，將各分支長度設計為不均等，盡量將分支井沿主井眼異側布置。

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